無傾角自頂鍛攪拌摩擦焊焊接工具的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及焊接技術領域，具體涉及一種適用于同種、異種熱塑性材料的連接及材料加工、工件缺陷修補的無傾角自頂鍛攪拌摩擦焊焊接工具。
【背景技術】
[0002]攪拌摩擦焊焊接技術是一種新穎而有潛力的焊接方法。該方法利用一種特殊工具一攪拌頭，高速旋轉并扎入工件，攪拌頭與工件的接觸部位產(chǎn)生了摩擦熱，待其周圍金屬形成塑性軟化層時開始沿焊接方向運動，焊接過程中塑化金屬在攪拌頭旋轉作用下填充攪拌針后方所形成的空腔，并在攪拌頭軸肩與攪拌針的攪拌及頂端壓力下鍛造形成致密焊縫。該技術在大量的實驗和應用過程中顯示出一系列獨特的優(yōu)點:(I)、接頭機械性能良好；
[2]、變形?。?3)、焊接過程綠色、環(huán)保；(4)、耗材少；(5)、焊接過程操作簡便；(6)、焊接缺陷少，一般不產(chǎn)生焊接缺陷；(7)、自動化程度高，生產(chǎn)周期短。
[0003]攪拌摩擦焊被譽為“綠色焊接技術”，在航空、航天、船舶、汽車、電子等眾多領域都得到了大量應用，而且應用的深度和廣度呈現(xiàn)急速增長態(tài)勢，具有非常好的開發(fā)潛力和應用前景。
[0004]攪拌摩擦焊技術雖然優(yōu)點眾多，但并非完美。焊接過程中，攪拌頭通常會向前傾斜一定角度，攪拌頭軸線與焊縫所在平面的法線方向的夾角稱為攪拌頭傾角。攪拌頭的傾角一般為±5°。對于薄板(厚度為I?6mm)采用小角度，通常為I?2°，對于中厚板(厚度大于6mm)，根據(jù)被焊接工件的結構和焊接壓力的大小，攪拌頭的傾角通常采用2?5°。攪拌頭與焊縫保持一定的傾斜角，目的是在焊接時通過攪拌頭肩部的后沿能夠對焊縫施加一定的焊接鍛壓力。而軸肩后沿的擠壓作用防止塑化金屬無序擠出，易造成焊縫內部材料不足而形成孔洞。在直縫焊接時，保持固定夾角很容易做到，但在平面二維焊接時，每到焊縫轉彎處就需要調整攪拌針傾斜方向，降低工作效率，如果傾角調節(jié)不當或精度不高，易出現(xiàn)焊接缺陷。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的在于提供一種攪拌摩擦工具端面與被焊工件表面呈0°夾角，并以一定的旋轉速度及通過設備動力裝置和控制裝置，與被焊工件表面接觸，并對被焊工件施加法向壓力，且在被焊工件上停留一定時間之后進行焊接的無傾角自頂鍛攪拌摩擦焊焊接工具.其能夠顯著降低平面二維焊接過程中轉彎處需要調整攪拌針傾斜方向所需時間及傾角調節(jié)不當或精度不高，造成的焊接缺陷，大幅提高焊接質量和焊接效率。
[0006]本實用新型的一目的是提供一種無傾角自頂鍛攪拌摩擦焊焊接方法，包括如下步驟，
[0007]步驟一、將被焊材料固定于工作臺上，被焊材料的焊接處形成焊道；
[0008]步驟二、攪拌頭置于被焊材料的焊接面上方，此時，攪拌頭的軸線方向與被焊材料的法線方向重合；
[0009]步驟三、攪拌頭旋轉并下降到位，攪拌頭上的攪拌針處于焊道中，對焊道周圍的被焊材料進行旋轉摩擦加熱，使焊道周圍的被焊材料受熱形成塑性軟化，并沿著焊道方向移動，這個過程中，攪拌頭軸肩上的鍛壓凸臺一直與被焊材料的焊接表面保持接觸進行鍛壓；
[0010]步驟四、在攪拌頭移動到焊道末端時，攪拌針開始離開焊道向上回抽，攪拌頭繼續(xù)旋轉并沿著焊接方向前進，鍛壓凸臺與被焊材料的焊接面保持接觸；在攪拌針回抽過程中，攪拌針緩慢脫離焊道，直至攪拌針完全拔出，完成焊接過程。
[0011]進一步地，為了焊道末端避免產(chǎn)生匙孔，在步驟四中，攪拌頭移動到焊道末端時，攪拌頭的沿焊道的移動速度降低，這樣能夠預留給攪拌針緩慢回抽的時間。
[0012]進一步地，為了使焊接完成的焊接面快速融為一體，在攪拌針對焊道周圍的被焊材料進行摩擦加熱焊接完成并沿著焊道前進后，采用冷卻裝置對已焊接完成的焊接面進行冷卻。通過冷卻裝置噴灑冷卻介質，使焊接完成的焊接面快速冷卻并融合成整體。
[0013]進一步地，為了冷卻介質干擾攪拌針的摩擦發(fā)熱，所述冷卻裝置的冷卻出口端與攪拌針之間保持8cm-20cm之間的距離。冷卻裝置噴出的冷卻介質不會對攪拌頭軸肩、攪拌針的摩擦熱量產(chǎn)生影響。
[0014]進一步地，在攪拌針對被焊材料進行摩擦加熱過程中，溫度傳感器對攪拌針的溫度進行檢測，當檢測到的溫度低于設置溫度時，溫度傳感器將溫度信號傳遞給控制置于攪拌針內加熱裝置的控制器，控制器則控制加熱裝置對攪拌針進行加熱使其達到設定的溫度。這樣在攪拌頭軸肩、攪拌針摩擦熱量不足時，通過加熱裝置攪拌針進行加熱，促使被焊材料熔化更好的焊接。
[0015]本實用新型的另一目的是提供一種無傾角自頂鍛攪拌摩擦焊焊接工具，包括中空結構的攪拌頭、設置于攪拌頭中空結構中的可轉動且可伸縮于攪拌頭中的攪拌針，所述攪拌頭與攪拌針的軸線重合，在攪拌頭的軸肩上設置有鍛壓凸臺，該鍛壓凸臺的高度低于攪拌針伸出攪拌頭后攪拌部分的長度。
[0016]進一步地，為了實現(xiàn)對攪拌針的加熱，促使被焊接材料的更好熔化，在攪拌針內部設有加熱裝置，以及用于檢測攪拌針溫度的溫度傳感器，溫度傳感器將檢測到的溫度傳輸給控制加熱裝置工作的一控制器。
[0017]進一步地，所述軸肩為向內凹陷或者雙凹環(huán)結構或螺旋結構。這樣軸肩即能頂壓在被焊材料的焊接面上，起到攪拌摩擦的作用，另外還可以防止攪拌摩擦過程中，摩擦飛濺的作用。
[0018]所述攪拌針的攪拌部分為錐形或圓柱或在錐形、圓柱表面設置的螺旋型。
[0019]上述技術方案解決了現(xiàn)有技術中的問題:即現(xiàn)有焊接過程中，為了在焊接時攪拌頭肩部的后沿能夠對焊縫施加一定的焊接鍛壓力，對此需在設備上設置傾角調節(jié)機構，以滿足焊接時攪拌頭軸肩后沿部位對焊縫起到鍛壓作用，這在直縫焊接過程中，固定夾角比較容易做到，但在平面二維焊接時，在帶有曲線的焊縫為了保持一致的焊接傾角，設備傾角調節(jié)機構就需做出調整，保持與以前相同的焊接傾角，降低工作效率，如果傾角調節(jié)不當或精度不高，易出現(xiàn)焊接缺陷。采用了本技術方案，攪拌頭的軸線方向與被焊材料的法線方向重合，這樣攪拌頭的軸肩與被焊材料的焊接面夾角為0°，軸肩上的鍛壓凸臺能夠與被焊材料的焊接面接觸并壓緊，通過鍛壓凸臺與攪拌針的共同作用，擠壓和摩擦被焊材料的雙重作用下塑化、充分融合固相連接，實現(xiàn)焊接的目的；在整個焊接過程中，不必在設備上設置傾角調節(jié)機構，降低焊接設備復雜性，將攪拌頭軸肩與被焊材料平面法線的角度為O。，從而實現(xiàn)無傾角攪拌摩擦焊接，采用無傾角攪拌摩擦焊技術焊接平面二維時，在焊縫轉彎處不需要調節(jié)攪拌頭角度，減少焊接工序，同時不必在設備上設置傾角調節(jié)機構，降低焊接設備復雜性，提高焊接效率。
【附圖說明】
[0020]圖1為本實用新型無傾角自頂鍛攪拌摩擦焊焊接工具的結構示意圖；
[0021]圖2為本實用新型無傾角自頂鍛攪拌摩擦焊焊接工具的幾種典型攪拌頭示意圖；
[0022]圖3為本實用新型無傾角自頂鍛攪拌摩擦攪拌頭與獨立旋轉支撐軸肩組成發(fā)雙面攪拌摩擦焊焊接示意圖；
[0023]圖4為本實用新型無傾角自頂鍛攪拌摩擦攪拌頭與獨立旋轉支撐軸肩組成發(fā)曲面雙面攪拌摩擦焊焊接示意圖；
[0024]圖5為本實用新型無傾角自頂鍛攪拌摩擦焊焊接工具的另一實施結構圖；
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本實用新型的技術方案進一步說明。
[0026]參照圖1，無傾角自頂鍛攪拌摩擦焊焊接方法，包括如下步驟，
[0027]步驟一、將被焊材料固定于工作臺上，兩塊被焊材料I的焊接處形成焊道2，被焊材料的厚度為3?10mm ；
[0028]步驟二、攪拌頭3置于被焊材